Привод станка или другого подобного механизма используются для осуществления движения рабочих органов данного станка. Ниже приведена информация относительно электроприводов подач и приводов главного движения станков с числовым программным управлением для обработки металла, дерева, пластмасс и пр. Информационные материалы не претендуют на всеобъемлющий характер и могут рассматриваться лишь как краткое пособие по выбору приводной техники, поставляемой нашей фирмой. Материал может быть интересен также для начинающих создателей станочного оборудования, приступающих к этой интересной задаче.
Станочный привод, как правило, подразделяется на три группы приводов:
- привод главного движения
- приводы подач
- вспомогательные приводы
Привод главного движения - это наиболее мощный привод станка.
Привод, обеспечивающий взаимное перемещение обрабатываемой детали относительно режущего или какого-либо другого инструмента, называется приводом подач.
Вспомогательный привод - это приводы насосов, вентиляторов, питателей, транспортеров, магазина инструментов, зажимов и других вспомогательных узлов станка.
Привод главного движения - это самый мощный привод на станке. Например, во фрезерных, расточных станках главный привод обеспечивает вращение фрезы или резца, в токарных станках - движение обрабатываемой детали.
Во фрезерных станках весьма часто используют мотор-шпиндель, при этом режущий инструмент закрепляют в полом валу самого шпиндельного двигателя. Такой привод позволяет убрать механическую передачу движения к инструменту. Простота такого решения позволяет обеспечить высокие скорости и надежность работы привода. Однако не позволяет увеличивать предельно возможный момент вращения инструмента путем снижения частоты вращения, как это происходит при наличии коробки скоростей в кинематической цепи между двигателем и шпинделем. Предельный момент шпинделя определяется предельным током обмоток электродвигателя и не может увеличиваться со снижением скорости. Если шпиндель связан с двигателем через коробку скоростей, то здесь с уменьшением скорости, путем переключения передаточного числа коробки, увеличивается предельный вращающий момент на этом шпинделе. Это свойство - постоянство предельного момента при снижении скорости шпинделя ниже номинального значения - особенно важно помнить при модернизации станков с ликвидацией старой коробки скоростей и замены этой коробки электронным регулятором скорости, например, преобразователем частоты. В этом случае, хотя требуемый диапазон скоростей можно будет достичь с помощью частотного регулирования, увеличение вращающего момента на низких скоростях не происходит. И здесь дело не в том, что один привод это может, а другой нет. А в том, что добиться увеличения вращающего момента при снижении скорости двигателя ниже номинальной невозможно из-за объективной реальности - физических законов, справедливых как для немецких, так и для китайских приводов.
Несколько слов о датчике обратной связи в приводах главного движения. В станках с ЧПУ различают два варианта таких приводов.
В первом, более простом случае, датчик обратной связи по положению в приводе отсутствует, и пользователь может регулировать только скорость вращения привода главного движения. Устройство ЧПУ в этом случае не отслеживает положение шпинделя. Если в качестве двигателя привода главного движения используется асинхронный двигатель, то регулирование скорости можно осуществлять преобразователем частоты в частотном (скалярном) или векторном (SVC - sensor less vector control) режиме.
Во втором, более продвинутом случае, имеется датчик обратной связи по положению, а устройство ЧПУ контролирует шпиндель, как ось C в координатном режиме (наименование осей в станке см. ГОСТ 23597-79). В этом случае имеется возможность такой операции, как резьбонарезание. Способность работы совместно с асинхронным двигателем, имеющим энкодер на своем вале, в так называемом режиме FVC - flux vector control, имеется не во всех преобразователях частоты. В приборах типа INTEK такую возможность имеет только преобразователь серии SPK (мощностью более 5,5 кВт + опционная энкодерная плата). Как альтернатива асинхронного привода главного движения с контролем положения может быть предложен сервопривод с синхронным двигателем достаточно большой мощности. Передача движения от двигателя в этом случае осуществляется зубчатым ремнем, который позволяет погасить вибрации, ударные процессы в шпиндельном узле, обеспечить решение конструктивных задач.
Приводы подач
В качестве привода подач используется сервопривод с двигателем вращения или линейным двигателем, а также шаговым двигателем.
Условимся в следующей терминологии, которую будем использовать здесь:
- сервоприводом называется комплектное устройство, состоящее из сервоусилителя и серводвигателя (в том числе, линейного серводвигателя)
- шаговым приводом называется комплектное устройство, состоящее из драйвера шагового привода и шагового двигателя без датчика обратной связи (энкодера)
Для нас важно сейчас рассмотреть характеристики электрической части привода подач, поэтому будем употреблять именно эти определения. Однако, по большому счету, в понятие «привод» входит еще и механическая передача от вала двигателя к исполнительным органам станка. Механическая передача, в виде редукторов, приводных ремней, шестерёнчатых передач и других элементов трансмиссии, может отсутствовать в приводах с линейным двигателем или прямым поворотным приводом с использованием моментного (высоко моментного) двигателя. Отсутствие механической передачи от двигателя к исполнительному органу, безусловно, увеличивает быстродействие и точность станков.
Шаговый привод в станках с числовым программным управлением (ЧПУ) может использоваться в двух применениях: либо для управления золотником гидроусилителя, либо в качестве самостоятельного электропривода подач.
Отсутствие датчика обратной связи является как недостатком шагового привода, так и его достоинством. Недостатком - поскольку это отсутствие может привести к пропуску шагов, снижению скорости и резонансным явлениям, приводящим к сбою движения. Достоинство заключается в отсутствии энкодерного кабеля, простоте конструкции привода, его дешевизне. Появившиеся в последнее время шаговые сервоприводы с энкодером занимают промежуточное положение между обычным шаговым приводом и сервоприводом на основе синхронной машины. Их основное преимущество в том, что они дешевле, чем обычный сервопривод. Наличие энкодера на вале шагового двигателя позволило замкнуть цепь обратной связи и уйти от основных недостатков обычного шагового привода. Фактически шаговый привод с энкодером - это сервопривод с датчиком обратной связи и недорогим двигателем, а также ограниченным набором функциональных характеристик. Оснащение шаговых приводов с энкодером драйверами с большим набором функций, режимов работы, возможностью работы с современными коммуникационными цифровыми сетями, на наш взгляд, не целесообразно, поскольку теряется основное преимущество таких приводов - дешевизна.
Важный вопрос, который возникает при выборе привода подач - способ управления этим приводом от устройства ЧПУ или от контроллера верхнего уровня (host-controller) управляющего движением.
Различают аналоговое управление приводом подач, импульсное управление и управление посредством цифровой сети.
При аналоговом управлении на управляющий вход привода поступает сигнал с соответствующего выхода устройства ЧПУ. Сервоусилитель должен работать в режиме регулирования скорости. Управляющий сигнал находится в диапазоне -10…+10В. Абсолютная величина напряжения соответствует требуемой скорости движения привода, знак напряжения - направлению вращения. Привод начинает разгоняться и пытается свести ошибку регулирования скорости к нулю. Информация с датчика положения поступает в устройство ЧПУ. Если в качестве источника обратной связи используется энкодер серводвигателя, то информация о положении считывается со специальных выходов сервоусилителя (выход эмулятора энкодера). Устройство ЧПУ сравнивает текущее положение с заданным (информация о заданном положении формируется в самом ЧПУ), вычисленная после сравнения ошибка по положению усиливается и поступает на аналоговый выход ЧПУ в качестве задания скорости для привода подач. Фактически контур управления положением, использует пропорциональный закон регулирования. Коэффициент усиления П-регулятора называют добротностью привода. Чем выше добротность, тем меньше ошибка регулирования положения, но и тем ближе система находится к границе устойчивости.
При импульсном управлении задающий сигнал от устройства ЧПУ поступает на сервоусилитель в виде импульсов напряжения. Настройками привода можно выбрать форму импульсов, их амплитуду. Часто используют формат импульсов, называемый P/D, при этом на один вход подаются импульсы перемещения (Pulses), а сигнал на другом входе определяет направление перемещения (Direction). Для защиты от помех импульсы на каждый вход передают по свитым проводам (витым парам), одновременно прямой и инверсный сигналы (дифференциальный сигналы). Сам привод должен быть настроен на режим управления положением (контур положения замыкается внутри сервопривода).
При управлении по цифровой сети используют соответствующие порты и протоколы обмена данными. Быстродействие обмена данными должно быть высоким, для того чтобы обеспечить высокую степень синхронизации движения между различными осями станка. Поэтому приводы подач используют такие протоколы связи как, например, CANopen, EtherCAT CoE. И не используют медленно работающий Modbus. В продаваемой нами продукции протокол EtherCAT доступен в приводах, выпускаемых тайваньской фирмой HIWIN.
Между сервоприводом и устройством ЧПУ происходит также обмен дискретными сигналами. В наиболее простом случае используется два сигнала: от ЧПУ поступает активирующий сигнал «Разрешение работы привода» («ENABLE», «RUN», «S_ON» и т.п.), а от привода к ЧПУ исходит сигнал «Готовность привода» («READY»). Сигнал готовности формируется, если напряжение питания на сервоусилитель подано и отсутствует аварийное состояние привода. Пропадание готовности любого из приводов снимает сигналы, разрешающие работу всех приводов станка, и останавливает выполнение управляющей программы устройством ЧПУ.
Характеристики приводов подач
Точность станка во многом зависит от качества работы привода подач. Здесь под словом качество работы привода понимается многокритериальный параметр, куда, как составляющие, входят: быстродействие привода, точность позиционирования, небольшая динамическая ошибка по положению и по скорости, требуемый характер переходных процессов, инвариантность к возмущающим воздействиям в виде изменений нагрузки, температуры, напряжения питания, момента инерции и т.д.
На точность станка существенно влияет также место установки датчиков обратной связи. Возможны три варианта:
- на валу серводвигателя (используется энкодер двигателя)
- на исполнительном органе станка (для линейных координат это, как правило, оптические или магнитные линейки)
- для замыкания обратной связи по положению используется как энкодер двигателя, так и внешний датчик положения исполнительного органа (так называемое, Full-closed Loop Control)
Первый случай соответствует классу точности станка Н (нормальная точность, ГОСТ 8-82), в некоторых случаях такое расположение датчика сможет обеспечить повышенную точность П. Для станков высокой точности и более точных требуется установка датчика обратной связи на исполнительном органе. Однако использование только сигнала с такого датчика может привести к автоколебаниям в системе автоматического управления положением (из-за люфта, упругостей и сухого трения в механической передаче). В настоящее время практически все приводы имеют возможность подключения второго энкодера в цепь обратной связи в дополнение к энкодеру, расположенному на вале двигателя, и работы в полно-замкнутом режиме управления. Такую возможность имеет сервопривод SERVOLINE, продаваемый нашей фирмой.
О точности привода можно судить по такой его характеристике, как диапазон регулирования скорости. Это отношение минимальной скорости, с которой двигатель может равномерно вращаться при изменении нагрузки на его вале, к максимальной скорости. В обычных сервоприводах этот диапазон должен быть в пределах 1:3000 … 1:5000. В широко-регулируемых приводах, используемых в станках повышенной точности, диапазон не должен быть хуже 1:10000.
Производители приводов предоставляют программы для их настройки. Программа устанавливается на вспомогательный персональный компьютер, который во время этапа настройки через кабель подключается к приводу. В этих программах кроме выбора составных частей привода, пользователь может установить параметры сервоусилителя, исходя из его предназначения: выбрать режим работы, ограничения момента, скорости, и т.д. Кроме того, предоставляется возможность настроить коэффициенты регуляторов в ручном или автоматическом режимах (auto tuning). Например, в сервоприводах от производителя HIWIN выбор настроек регуляторов контуров тока, скорости и положения можно провести на основе построения ЛАФЧХ-характеристик (Bode-diagram). В режиме настройки сервоусилитель сам формирует гармоническое воздействие, и фиксирует частотный отклик системы. На основании этого отклика идет построение частотных характеристик, и пользователь проводит синтез структуры управляющего алгоритма привода, определяются необходимые фильтры, их частоты среза и коэффициенты регуляторов. Конечно, кроме этой профессиональной настройки привода, имеется автоматическая настройка, которая также даёт неплохое качество переходных процессов в системе регулирования привода. Все настроечные программы предоставляются покупателям наших приводов бесплатно (программа ServoWin для приводов серии SERVOLINE, и программа Lightening - для серий D1 и D2 HIWIN; имеется техническая поддержка на русском языке).
Режимы работы сервоприводов
Все сервоприводы поддерживают следующие режимы работы:
- режим регулирования вращающего момента
- режим регулирования скорости
- режим управления положением
Дополнительно к этим, обязательным для всех режимам, привод SERVOLINE может работать в, так называемом, режиме внутреннего управления положением, а привод HIWIN обеспечивает автономный режим работы (Stand-alone mode). Автономный режим работы означает режим работы по программе пользователя, записанной во внутреннюю память сервоусилителя, то есть фактически привод может работать как сервоконтроллер (контроллер движения + сервопривод).
Режим внутреннего управления положением. Сервоусилитель запоминает несколько предварительно задаваемых позиций или дистанций движения, и переходит от одного положения к другому либо самостоятельно, либо по внешней команде. Этот режим предусматривает также вспомогательный подрежим поиска нулевой реперной точки (Homing), необходимый для привязки привода к системе координат станка после его включения.
Автономный режим работы. Управляющая программа пишется пользователем в виде текстового файла и загружается сервоусилитель HIWIN с помощью настроечной программы Lightening. В этом режиме обеспечивается управление движением привода с учетом сигналов, приходящих на дискретные входы привода, состояния привода, величин постоянных, записанных в память, заданий и команд, приходящих в привод по коммуникационной сети и пр.